(57)【要約】【課題】極めて高速なメニスカス振動における動的な濡れ性を評価する。【解決手段】二つの面を対向させて構成した間隙からなる液体浸透空間４へ、液体導入部６から被測定液体７を導入して浸透させながら、液体浸透空間４の間隙長をアクチュエータ１２で振動的に変化させることでメニスカスを振動させる。この時の被測定液体７の浸透速度を測定することで動的濡れ性を評価する。浸透速度は下プレート１に作用する流体力より見積もられる。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つの面を対向させて構成した間隙からなる液体浸透空間と、この液体浸透空間に液体を供給する液体導入部と、前記液体浸透空間の間隙長を振動的に変化させる間隙長変調手段と、前記液体導入部から前記液体浸透空間に導入された被測定液体が前記浸透空間を占める量を経時的に計測する浸透量計測手段とからなる動的濡れ性測定装置。
【請求項２】
請求項１記載の動的濡れ性測定装置であって、前記液体浸透空間の間隙は、前記液体導入部を軸として軸対称で軸からの距離に対して間隙長が変化するよう構成されていることを特徴とする動的濡れ性測定装置。
【請求項３】
請求項１記載の動的濡れ性測定装置であって、前記液体浸透空間を構成する二つの面の少なくとも一方を凸面とし、前記間隙の最狭部に前記液体導入部を設けたことを特徴とする動的濡れ性測定装置。
【請求項４】
請求項１記載の動的濡れ性測定装置であって、前記浸透量計測手段は前記液体浸透空間を構成する面に作用する力を計測する流体力計測器を有することを特徴とする動的濡れ性測定装置。
【請求項５】
二つの面を対向させて構成した間隙からなる液体浸透空間へ、液体導入部から被測定液体を導入して前記液体浸透空間へ毛細管力により前記被測定液体を浸透させながら、前記液体浸透空間の間隙長を振動的に変化させることで前記間隙間に形成された前記被測定液体のメニスカスを振動させ、このメニスカスの移動速度を直接的または間接的に計測することで、前記被測定液体の前記面に対する浸透速度を測定することを特徴とする動的濡れ性測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、液体と固体表面の動的濡れ性を評価する技術に関し、詳しくは、気体に面する液体表面（メニスカスと呼ばれる）と、この液体表面が固体表面に接する接触角とが動的に変化した時の、液体表面と固体表面との接触線の運動、つまり動的に振動するメニスカスによる液体の動的濡れ性を反映した浸透速度より、液体の動的濡れ性を測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体と固体表面の濡れを規定する指標として、液体表面が固体表面と接する線（以下コンタクトラインと呼ぶ）上で、液体表面の接平面が固体表面となす角度、すなわち接触角が一般的に利用される。この接触角には、コンタクトラインが濡れ面積を広げる方向に移動しようとする時の前進接触角と、濡れ面積を狭める方向に移動しようとする時の後退接触角があり、これらの前進・後退接触角はコンタクトラインの移動速度で変化することが知られている。このような接触角の動的な変化、つまり動的濡れ性は液体と固体の相互作用の結果として生じ、液体を利用した種々の工業プロセスにおいて重要な管理項目でとなっている。動的濡れ性の測定方法は、非特許文献１に詳しく紹介されている。これらの中で一般的に利用されるウィルヘルミー法を用いた動的接触角計は、評価する表面を両面に備えた薄い板を、同じく評価対象の液体を入れた容器に垂直に侵入させ、基板表面にコンタクトラインを形成させる。この基板を上方（即ちコンタクトラインが液体側に後退する方向で、後退接触角の情報を与える）または下方（コンタクトラインが気体側に前進する方向で、前進接触角の情報を与える）に移動させた時に、基板に作用する力を液体を通じて液体容器に作用する反作用として液体容器を載せた電子天秤で計測し、既知の表面張力から接触角を算出すると言う計測方法である。
【０００３】
一方、極めて微小なインク滴を吐出させることが可能なインクジェットヘッドは、液滴径を肉眼でドットが判別できないまでに微細化し、写真以上の解像度で画像を印刷する事が可能であり、デジタル画像の出力手段として広く利用されるに至っている。また、多様な液体を液滴として吐出し任意の基板に対して精度良くドットを配置できることから、電子材料をインクとして用いた高精彩な素子パターン形成へのインクジェットの応用も展開されている。インクジェットヘッドから数ピコリットルと言う極めて微小な液体を液滴として精度良く安定に噴射させるには、１０ｋＨｚから１００ｋＨｚ以上で振動するノズルメニスカスを、一貫して精密に制御する必要がある。このような噴射過程で、ノズル内面のコンタクトラインに動的な濡れの不均一さが生じると、ノズルから噴射する液滴がノズル軸から外れて斜めに飛翔するようになり、描画パターンの精度を著しく損なうと言う不具合が発生する。また、動的な濡れ性が悪い、つまり液体が基盤に対して動的に濡れにくい場合には、噴射の繰り返し周波数を上昇させると、インクメニスカスの復帰が間に合わなくなり、液滴の噴射ができなくなる問題も発生する。
【０００４】
このような問題を事前に予測し、最適な表面処理とインク物性の組み合わせを容易にかつ正確に見極めるために、高速に振動するメニスカスの動的な濡れ性を評価する装置・方法が求められている。
【０００５】
【非特許文献１】Dussan  V.,  Annual  Review  of  Fluid  Mechanics,  vol.  11,  pp371  (1979)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、ウィルヘルミー法を含め既存の方法は、振動の周波数、すなわち繰り返しの濡れ周波数にしてせいぜい１０Ｈｚ程度にしか到達できず、また、コンタクトラインの移動速度も毎秒数ｃｍであり、インクジェットに必要なｋＨｚオーダーの繰り返しの濡れ周波数と毎秒１ｍ以上のコンタクトラインの移動速度に対応した高速な濡れ現象の情報を得ることは不可能である。
【０００７】
この発明は、従来技術における上述した課題を解決するためになされたものであり、極めて高速なメニスカス振動における、動的な濡れ性を評価することが可能な計測技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題を解決するため、本発明の第１の動的濡れ性測定装置は、次の構成を採用した。すなわち、
二つの面を対向させて構成した間隙からなる液体浸透空間と、この液体浸透空間に液体を供給する液体導入部と、前記液体浸透空間の間隙長を振動的に変化させる間隙長変調手段と、前記液体導入部から前記液体浸透空間に導入された被測定液体が前記浸透空間を占める量を経時的に計測する浸透量計測手段とからなることを要旨とする。
【０００９】
かかる本発明の第１の動的濡れ性測定装置においては、液体導入部から液体浸透空間に導入された被測定液体は、対向する二つの面間にメニスカスを形成し、メニスカスの毛管力により液体浸透空間へ浸透して行く。この時二つの面の間隙長を間隙長変調手段により振動的に変化させることで液体浸透空間の容積を変化させると、平面間を満たす被測定液体にスクイーズフローが生じ、この流体的振動流れにより、メニスカスは間隙長の変化に同期して振動し、動的な接触角が変化する。また、振動振幅が大きい場合にはコンタクトラインが流体力学的に移動する。このようにメニスカスを動的に振動させることにより、動的な濡れ性を反映した毛管力が作用し、コンタクトラインの運動にその効果が反映される。このコンタクトラインの運動、即ち被測定液体の浸透速度あるいは浸透量を浸透量計測手段により計測することで、極めて微小な時間で変化する動的濡れ性の作用を計測することが可能となる。
【００１０】
また、本発明の第２の動的濡れ性測定装置は、前述した課題を解決するために、次の構成を採用した。すなわち、
請求項１記載の動的濡れ性測定装置であって、前記液体浸透空間の間隙は、前記液体導入部を軸として軸対称で軸からの距離に対して間隙長が変化するよう構成されていることを要旨とする。
【００１１】
かかる第２の動的濡れ性測定装置において、毛管力は間隙長に反比例するため、液体導入部からの距離に応じて毛管力が変化する。間隙長が意図的には変化しないようにされている場合には、二つの平面が僅かにでも平行から外れると、液体導入部から導入された被測定液体は、液体浸透空間を液体導入部から見て非等方的に浸透してしまうため、測定の安定性が大きく損なわれる。しかし、本発明では間隙長が液体導入部を軸として等方的に変化しているため、浸透の方向性が平行度の誤差に対して影響を受けにくくなり、安定な測定が可能となる。
【００１２】
本発明の第３の動的濡れ性測定装置は、前述した課題を解決するために、次の構成を採用した。すなわち、
請求項１記載の動的濡れ性測定装置であって、前記液体浸透空間を構成する二つの面の少なくとも一方を凸面とし、前記間隙の最狭部に前記液体導入部を設けたことを要旨とする。
【００１３】
かかる第３の動的濡れ性測定装置において、液体導入部からの浸透距離が大きくなるほど毛管力が減少するため、浸透の遅れているメニスカス部位はより速く浸透し、進んでいるメニスカス部位はより遅く浸透するようになり、結果としてメニスカスは液体導入部から等方的に浸透するようになり、測定の安定性が著しく向上する。
【００１４】
本発明の第４の動的濡れ性測定装置は、前述した課題を解決するために、次の構成を採用した。すなわち、
請求項１記載の動的濡れ性測定装置であって、前記浸透量計測手段は前記液体浸透空間を構成する面に作用する力を計測する流体力計測器を有することを要旨とする。
【００１５】
かかる第４の動的濡れ性測定装置において、振動的なスクイーズフローにより被測定液体の粘性応力と慣性力に応じた流体圧力が発生する。この圧力は浸透量に関して単調に増加する。液体浸透空間を規定する一方の面に作用するこの流体圧力が積分された流体力を流体力計測器で測定することにより、既知の粘性と慣性から浸透量を算出する事が可能となる。
【００１６】
また、かかる第１の動的濡れ性測定装置に対応した本発明の動的濡れ性測定方法は、
二つの面を対向させて構成した間隙からなる液体浸透空間へ、液体導入部から被測定液体を導入して前記液体浸透空間へ毛細管力により前記被測定液体を浸透させながら、前記液体浸透空間の間隙長を振動的に変化させることで前記間隙間に形成された前記被測定液体のメニスカスを振動させ、このメニスカスの移動速度を直接的または間接的に計測することで、前記被測定液体の前記面に対する浸透速度を測定することを要旨とする。
【００１７】
液体導入部から液体浸透空間に浸入した被測定液体は、狭い間隙に形成されたメニスカスの毛管力により液体浸透空間へ浸透して行く。この時、間隙長を一定に維持すれば液体は準静的な前進接触角よる毛管力によって浸透するが、間隙長を振動的に変化させた場合には接触角が流体運動により変化するため、動的な前進接触角や後退接触角等の動的な濡れ性を反映した毛管力によって浸透するようになる。従って、このようなスクイーズフローによる流体運動の振幅や周波数を変えて浸透速度を測定することにより、低速から極めて高速な領域まで一貫した方法で動的濡れ性を計測する事が可能となり、極めて複雑な動的濡れ性に関する多くの情報を得ることが可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
極めて高速な動的濡れ性を評価できるため、例えばインクジェットインクのように高い周波数でメニスカスが振動し、動的濡れ性が性能に影響する分野で、固体表面と液体の組み合わせの最適化を効率良く行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための形態を説明する。図１は、本発明の動的濡れ性測定装置２０の全体構成を示す説明図で、内部構造を表示するため中心断面図として表してある。動的濡れ性測定装置２０は、基台１１上にフレーム１０を接合した構造体の上部にスペーサ９を介して円形の上プレート２が結合されている。また、構造体の内部には基台１１上に間隙長変調手段である磁歪アクチュエータ１２が固定されており、この磁歪アクチュエータの上部には円形の下プレート１が接続されている。下プレート１の上面とフレーム１０の上面は同一高さとなるよう調整されている。円形の下プレート１と上プレート２は同軸に対向して平行に配置されており、向かい合った二面間に液体浸透空間４を形成している。この液体浸透空間４の間隙長はスペーサ９の厚さを変える事で適切な大きさに設定する事ができる。
【００２０】
上プレート２には、液体浸透空間４へ外部から被測定液体７を供給するための液体導入部６が中心に穿孔されており、この液体導入部６へ被測定液体７を供給する液体リザーバ５が上部に形成されている。測定時に液体リザーバ５へ供給された被測定液体７は、重力と毛管力により液体導入部６へ浸入し、更に毛管力により液体浸透空間４を液体導入部６の中心から矢印で示したように半径方向外側へ浸透して行く。
【００２１】
この浸透挙動を計測する方法は多数考えられるが、本実施例では上プレート２は透明であるため、上部からＣＣＤカメラ１３で液体浸透空間４を撮影し、図示しないコンピュータによる画像処理で浸透領域の時間変化を算出する事で浸透量を計測する事ができる。
【００２２】
一方、被測定液体７が液体浸透空間４を浸透する過程で、磁歪アクチュエータ１２を図示していない駆動装置により駆動することで、下プレート１を上下に振動させる。下プレート１の上下の振動変位に伴い液体浸透空間４の間隙長は変化し、液体浸透空間４を浸透している被測定液体７にスクイーズフローの振動流れを発生させる。この振動流れはメニスカス８の形状を振動的に変化させるため、メニスカスのコンタクトラインは被測定液体７と下プレート１と上プレート２の表面の動的濡れ性を反映した挙動を示すことになる。従って、振動を加えない時の浸透挙動と、振動を加えてメニスカス形状を動的に変化させたときの差を調べることにより、動的濡れ性を評価する事ができる。
【００２３】
磁歪アクチュエータ１２は大きな変位を得られるため、本装置へ適用する間隙長変調手段として適しているが、駆動電流入力に対する変位応答が大きなヒステリシスを持つため、磁歪アクチュエータ１２の変位を図示しない変位計により計測し、目的の変位波形との差をフィードバックする必要がある。また、線形性が高い圧電アクチュエータを間隙長変調手段に用いることも可能である。本発明で利用する磁歪アクチュエータ１２は、数十ｋＨｚから１００ｋＨｚを超える周波数で駆動することが可能で、従来では到底達し得ない高速な動的濡れを誘起する事ができる。
【００２４】
液体浸透空間４の代表的な大きさは、下プレート１で規定される直径が５ｍｍから２０ｍｍ程度、間隙長は１０μｍから１００μｍ程度が好ましい。このような間隙長は、例えばインクジェットヘッドの液体流路の寸法と同程度であり、１０ｋＨｚから１００ｋＨｚ以上の振動流に対して高次の流れが顕著とならないために有効な範囲である。振動流の周波数が低い場合には、被測定液体が示すスクイーズフローの流速分布が、間隙方向に２次関数となるポアズイユ流れとなる。しかし、周波数が高くなると４次関数や６次関数の速度分布を持つ高次の流れが発生する。このような高次の流れが顕著になると、メニスカスの形状が大きく乱されて、一貫した測定が行われない。ここで言う「一貫した測定が行われない」とは、間隙長の変位に同期したメニスカス形状変化に関して、高次流れが顕著になり、動的な接触角と間隙長の変位との間の単調な相関関係が低くなることを意味している。
【００２５】
図１に示す実施の形態では、間隙長は液体浸透空間４で一定であるように説明したが、実際には上下の２面が共に平面であると測定で問題が生じる場合がある。浸透する液体は毛管力が大きな方向に速く進んで行く。毛管力は間隙長に反比例するため、上下面間の平行度が不十分であると、間隙長が狭くなる方向に偏って浸透が進むため、測定結果に一貫性がなくなってしまう。図２に示した上プレート３２は、このような問題を解決するために、液体浸透空間側の面３４を円錐状にし、その円錐の頂点に液体リザーバ３５に連通する液体導入部３６が開口するように加工されている。この場合、対応する平面の下プレートとの間に形成される液体浸透空間において、間隙の最狭部に液体導入部３６が開口し、この開口からの距離に対して間隙長が変化する。本実施例では、液体導入部３６からの浸透距離が大きくなるほど毛管力が減少するため、浸透の遅れているメニスカス部位はより速く浸透し、進んでいるメニスカス部位はより遅く浸透するようになり、結果としてメニスカスは液体導入部から等方的に浸透するようになり、測定の安定性が著しく向上する。上下プレートの平行度が円錐面３４の傾きより小さければ、被測定液体は液体導入部３６から全半径方向へ浸透するため、平行度の不具合の影響を受けにくくなる。図２に示す実施の形態では円錐を用いたが、もちろん球面を用いても良い。
【００２６】
測定対象とする固体表面が、不透明な基板で有ったり、不透明な表面処理膜が形成されていたりする場合は、図１に示すように上プレート２を通して浸透領域を観察する事が不可能である。このような場合は、スペーサ９に開口を設けて、液体浸透空間４の側面からメニスカス８の位置を測定できるようにすることで対処できる。
【００２７】
図３に示す動的濡れ性測定装置では、磁歪アクチュエータ１２と下プレート１との間に圧電体を利用した流体力計測器４１を設置した。振動的なスクイーズフローでは被測定液体７の粘性応力と慣性力に応じた流体圧力が発生する。この圧力は浸透量に関して単調に増加する。浸透領域が半径Ｒの円板状であるとすると、圧力はおよそＲの４乗に比例する。この流体圧力を下プレートの液体浸透領域で積分した流体力を流体力計測器４１で測定することにより、既知の粘性と慣性から浸透量を算出する事が可能となる。加えて、下プレート１の質量効果も補正する必要が有るが、被測定液体７が無い空の状態での流体力計測器４１の出力を差し引くことで容易に行える。
【００２８】
図３の実施の形態は、下プレート１に作用する流体力を計測する構成であるが、上プレートに作用する流体力を計測する構成も可能である。この場合は、上プレート１を、流体力計測器を介して構造体へ固定すれば良い。このような構成では、流体力計測器に用いる荷重センサーの選択が容易になる利点があるが、全体構造体の剛性が低くならないよう設計上注意する必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態である動的濡れ性測定装置の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態である動的濡れ性測定装置に用いるプレートである。
【図３】本発明の実施の形態である動的濡れ性測定装置の構成図である。
【符号の説明】
【００３０】
１…下プレート
２、３２…上プレート
４…液体浸透空間
６、３６…液体導入部
７…被測定液体
９…スペーサ
２０、４０…動的濡れ性測定装置
４１…流体力計測器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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